Analisi delle singole cellule della pelle prenatale e degli organoidi cutanei offre indizi sulla riparazione della pelle senza cicatrici / Single-Cell Analysis of Prenatal Skin and Skin Organoids Offers Scarless Skin Repair Clues
Analisi delle singole cellule della pelle prenatale e degli organoidi cutanei offre indizi sulla riparazione della pelle senza cicatrici / Single-Cell Analysis of Prenatal Skin and Skin Organoids Offers Scarless Skin Repair Clues
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
I ricercatori del Wellcome Sanger Institute e della Newcastle University, insieme ad un gruppo di collaboratori internazionali, hanno creato un atlante unicellulare della pelle umana prenatale ed un "mini organo" di pelle in capsula di vetro con la capacità di far crescere i capelli.
Creato utilizzando il sequenziamento di singole cellule ed altre tecniche genomiche, l'atlante della pelle potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio come si forma la pelle, compresi i follicoli piliferi (HF), e potenzialmente fornire nuove informazioni su cosa non va nelle malattie. Le intuizioni risultanti potrebbero quindi aiutare i ricercatori a sviluppare approcci per creare nuovi follicoli piliferi nella medicina rigenerativa e generare trapianti di pelle per le vittime di ustioni. Utilizzando gli organoidi della pelle (SkO), i ricercatori hanno anche mostrato come le cellule immunitarie svolgano un ruolo importante nella riparazione della pelle senza cicatrici, il che potrebbe portare ad applicazioni cliniche per prevenire cicatrici dopo un intervento chirurgico od una guarigione senza cicatrici dopo una ferita.
La risorsa skin atlas è stata creata come parte dell'Human Cell Atlas, che mira a mappare tutti i tipi di cellule nel corpo umano. Elena Winheim, PhD, presso il Wellcome Sanger Institute, ha commentato: "Con il nostro atlante prenatale della pelle umana, abbiamo fornito la prima 'ricetta' molecolare per creare la pelle umana e scoperto come si formano i follicoli piliferi umani prima della nascita. Queste intuizioni hanno un potenziale clinico sorprendente e potrebbero essere utilizzate nella medicina rigenerativa, quando si offrono trapianti di pelle e capelli, come per le vittime di ustioni o per coloro che soffrono di alopecia cicatriziale".
I dati dell'atlante della pelle umana sono liberamente disponibili per essere esplorati in modo interattivo tramite un portale web: https://developmental.cellatlas.io/fetal-skin . Muzlifah Haniffa, PhD, responsabile ad interim della genetica cellulare presso il Wellcome Sanger Institute, ha aggiunto: "Il nostro atlante della pelle umana prenatale ed il modello organoide forniscono alla comunità di ricerca strumenti liberamente disponibili per studiare le malattie cutanee congenite ed esplorare le possibilità della medicina rigenerativa. Stiamo facendo passi da gigante verso la creazione dell'atlante delle cellule umane, comprendendo i passaggi biologici di come sono costruiti gli esseri umani ed indagando cosa non va nelle malattie".
Winheim è il co-primo autore, e Haniffa il co-autore principale, dell'articolo del gruppo pubblicato su Nature, intitolato " Un atlante cutaneo prenatale rivela la regolazione immunitaria della morfogenesi della pelle umana ".
La pelle è l'organo più grande del corpo umano, misurando in media due metri quadrati. Fornisce una barriera protettiva, regola la temperatura corporea e può rigenerarsi. La pelle si sviluppa nell'ambiente sterile dell'utero, con tutti i follicoli piliferi formati prima della nascita. "Gli HF prenatali iniziano a formarsi tra le 11 e le 14 settimane post-concepimento (PCW)..." ha spiegato il team. C'è un ciclo follicolare dopo la nascita, ma non vengono creati nuovi follicoli. Prima della nascita, la pelle ha anche la capacità unica di guarire senza cicatrici. "La pelle umana prenatale è in grado di guarire senza cicatrici, ma perde questa capacità dopo 24 PCW", hanno spiegato ulteriormente.
È stato difficile studiare come si sviluppa la pelle umana, poiché i modelli animali presentano differenze fondamentali. Come parte dell'Human Cell Atlas, i ricercatori si concentrano sullo studio di come si costruisce la pelle umana. Comprendere come si sviluppa la pelle, dove si trovano le cellule nello spazio e nel tempo ed il ruolo della genetica aiuterà a svelare come specifiche mutazioni causano disturbi cutanei congeniti, come disturbi vescicali e pelle squamosa.
In questo studio appena riportato, i gruppi del Wellcome Sanger Institute, della Newcastle University, ed i loro collaboratori hanno creato il primo atlante spaziale e monocellulare della pelle umana prenatale. Il gruppo ha utilizzato campioni di tessuto cutaneo prenatale, che hanno suddiviso per osservare le singole cellule in sospensione, così come le cellule in posizione all'interno del tessuto. I ricercatori hanno utilizzato il sequenziamento monocellulare e la trascrittomica spaziale, un metodo molecolare che mappa l'attività genica in un campione di tessuto e la sua posizione, per analizzare le singole cellule nello spazio e nel tempo, ed i cambiamenti cellulari che regolano lo sviluppo della pelle e dei follicoli piliferi. Hanno descritto i passaggi che delineano come si formano i follicoli piliferi umani e hanno identificato le differenze rispetto ai follicoli piliferi dei topi. "Il nostro studio attuale fornisce un atlante cellulare multi-omico completo di pelle umana prenatale da 7-17 PCW", hanno scritto. "Abbiamo profilato la pelle prenatale umana utilizzando il sequenziamento dell'RNA a cellula singola (scRNA-seq), la trascrittomica spaziale e l'ibridazione in situ dell'RNA multiplex per decodificare i cambiamenti cellulari e molecolari dinamici durante la gestazione che regolano la morfogenesi della pelle e dell'HF".
Attraverso i loro studi, il gruppo ha scoperto che i vasi sanguigni non si formavano nell'organoide cutaneo così come nella pelle prenatale. Hanno scoperto che l'aggiunta di cellule immunitarie macrofagiche all'organoide promuoveva la formazione di vasi sanguigni e hanno intrapreso l'imaging 3D per valutare la formazione di vasi sanguigni all'interno del tessuto. "I nostri dati hanno suggerito che i macrofagi contribuiscono all'angiogenesi cutanea prenatale", hanno osservato. "... il rimodellamento della rete vascolare è stato migliorato in seguito al trasferimento di macrofagi autologhi derivati da cellule staminali pluripotenti indotte in colture SkO... Nel complesso, i nostri risultati dimostrano che le interazioni tra macrofagi e cellule endoteliali sono necessarie per supportare l'angiogenesi attraverso il rimodellamento dei vasi sanguigni".
Sebbene sia noto che queste cellule immunitarie proteggono la pelle dalle infezioni, questa è la prima volta che si dimostra che i macrofagi svolgono un ruolo chiave nella formazione della pelle umana durante lo sviluppo precoce, supportando la crescita dei vasi sanguigni. La scoperta potrebbe portare ad un approccio per migliorare la vascolarizzazione di altri organoidi tissutali.
Il gruppo ha anche analizzato le differenze nei tipi di cellule tra la pelle prenatale e quella adulta. I loro risultati hanno indicato come i macrofagi svolgano un ruolo importante nella riparazione della pelle senza cicatrici nella pelle prenatale, il che potrebbe portare ad applicazioni cliniche per evitare cicatrici dopo un intervento chirurgico od una ferita. "Il nostro atlante ha indicato che i macrofagi contribuiscono alla riparazione della pelle senza cicatrici, all'omeostasi dei fibroblasti ed allo sviluppo neurovascolare", hanno inoltre osservato i ricercatori.
Dai risultati collettivi dei loro studi, il gruppo ha suggerito una "ricetta" molecolare per come è costruita la pelle umana e come si formano i follicoli piliferi. Queste intuizioni potrebbero essere utilizzate nella creazione di nuovi follicoli piliferi per la medicina rigenerativa, come per i trapianti di pelle per le vittime di ustioni o per coloro che soffrono di alopecia cicatriziale.
L'atlante della pelle umana prenatale verrà utilizzato anche per identificare in quali cellule sono attivi o espressi i geni che sono noti per causare disturbi congeniti di pelle e capelli, come disturbi vescicali e pelle squamosa. "Il nostro atlante della pelle umana prenatale rappresenta una risorsa preziosa per esplorare i geni che causano disturbi congeniti di pelle e capelli", ha affermato il team. Hanno scoperto che i geni coinvolti in questi disturbi sono espressi nella pelle prenatale, il che significa che hanno origine nell'utero. "Abbiamo scoperto che i geni implicati sono effettivamente espressi durante lo sviluppo prenatale della pelle e la differenziazione HF, supportando così un'origine in utero per questi disturbi". Gli organoidi della pelle creati nello studio offrono un nuovo modello accurato per studiare queste malattie. "Il nostro confronto sistematico pelle prenatale-SkO fornisce un modello per guidare una generazione SkO in vitro più fedele, che può facilitare studi futuri sulle interazioni con il microbiota, la patogenesi dei disturbi congeniti della pelle e l'ingegneria di pelle e capelli per applicazioni terapeutiche, tra cui la rigenerazione dei capelli ed il trapianto di pelle", hanno concluso.
Hudaa Gopee, MD, co-primo autore della Newcastle University, ha commentato: "Siamo entusiasti di aver creato un modello di organoide cutaneo che fa crescere i capelli. In questo processo, abbiamo scoperto un nuovo, importante ruolo delle cellule immunitarie nel promuovere la crescita dei vasi sanguigni nello sviluppo del tessuto cutaneo, che potrebbe aiutare a migliorare altri modelli di organoide. Queste cellule immunitarie, chiamate macrofagi, sembrano anche svolgere un ruolo chiave nella riparazione della pelle senza cicatrici nella pelle prenatale. Le nostre scoperte potrebbero informare i progressi clinici per evitare cicatrici dopo l'intervento chirurgico".
ENGLISH
Researchers at the Wellcome Sanger Institute and Newcastle University, together with a team of international collaborators, have created a single-cell atlas of prenatal human skin, and a “mini organ” of skin in a dish with the ability to grow hair.
Created using single-cell sequencing and other genomics techniques, the skin atlas could help scientists better understand how skin, including hair follicles (HFs), is formed, and potentially provide new information on what goes wrong in disease. The resulting insights may then help researchers develop approaches to creating new hair follicles in regenerative medicine, and generate skin transplants for burn victims. Using the skin organoids (SkO) the investigators also showed how immune cells play an important role in scarless skin repair, which could lead to clinical applications to prevent scarring after surgery, or scarless healing after wounding.
The skin atlas resource has been created as part of the Human Cell Atlas, which aims to map all cell types in the human body. Elena Winheim, PhD, at the Wellcome Sanger Institute, commented, “With our prenatal human skin atlas, we’ve provided the first molecular ‘recipe’ for making human skin and uncovered how human hair follicles are formed before birth. These insights have amazing clinical potential and could be used in regenerative medicine, when offering skin and hair transplants, such as for burn victims or those with scarring alopecia.”
The human skin atlas data is freely available to explore interactively through a web portal: https://developmental.cellatlas.io/fetal-skin. Muzlifah Haniffa, PhD, interim head of cellular genetics at the Wellcome Sanger Institute, added, “Our prenatal human skin atlas and organoid model provide the research community with freely available tools to study congenital skin diseases and explore regenerative medicine possibilities. We are making exciting strides toward creating the Human Cell Atlas, understanding the biological steps of how humans are built, and investigating what goes wrong in disease.”
Winheim is co-first author, and Haniffa co-lead author of the team’s published paper in Nature, titled “A prenatal skin atlas reveals immune regulation of human skin morphogenesis.”
Skin is the largest organ of the human body, measuring on average two square meters. It provides a protective barrier, regulates our body temperature, and can regenerate itself. Skin develops in the sterile environment of the womb, with all hair follicles formed before birth. “Prenatal HFs start forming between 11 and 14 post-conception weeks (PCW) …” the team explained. There is follicle cycling after birth, but no new follicles are made. Before birth, skin also has the unique ability to heal without scarring. “Prenatal human skin is able to heal without scarring but loses this capacity after 24 PCW,” they further explained.
It has been difficult to study how human skin develops, as animal models have key differences. As part of the Human Cell Atlas, researchers are focused on studying how human skin is built. Understanding how skin develops, where cells are in space and time, and the role of genetics will help reveal how specific mutations cause congenital skin disorders, such as blistering disorders and scaly skin.
In this newly reported study, teams at the Wellcome Sanger Institute, Newcastle University, and their collaborators created the first single-cell and spatial atlas of human prenatal skin. The team used samples of prenatal skin tissue, which they broke down to look at individual cells in suspension, as well as cells in place within the tissue. The investigators used single-cell sequencing and spatial transcriptomics—a molecular method that maps gene activity in a tissue sample and its location—to analyze individual cells in space and time, and the cellular changes that regulate skin and hair follicle development. They described the steps that outline how human hair follicles are formed and identified differences from mouse hair follicles. “Our current study provides a comprehensive multi-omics cell atlas of 7–17 PCW human prenatal skin,” they wrote. “We profiled human prenatal skin using single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), spatial transcriptomics, and multiplex RNA in situ hybridization to decode the dynamic cellular and molecular changes across gestation that regulate skin and HF morphogenesis.”
Using adult stem cells the researchers also created organoids—a “mini organ” of skin in a dish—with the ability to grow hair. They compared the molecular characteristics of skin organoids with prenatal skin and found the skin organoid model more closely resembled prenatal skin than adult skin.
Through their studies, the team found that blood vessels did not form in the skin organoid as well as prenatal skin. They discovered that adding macrophage immune cells to the organoid promoted the formation of blood vessels, and undertook 3D imaging to assess blood vessel formation within the tissue. “Our data suggested that macrophages contribute to prenatal skin angiogenesis,” they noted. “… vascular network remodeling was enhanced following transfer of autologous macrophages derived from induced pluripotent stem cells into SkO cultures … Collectively, our findings demonstrate that interactions between macrophages and endothelial cells are required to support angiogenesis through blood vessel remodeling.”
While it’s known that these immune cells protect the skin from infection this is the first time that macrophages have been shown to play a key role in the formation of human skin during early development by supporting the growth of blood vessels. The discovery may lead to an approach to improving the vascularisation of other tissue organoids.
The team also analyzed differences in cell types between prenatal skin and adult skin. Their results indicated how macrophages play an important role in scarless skin repair in prenatal skin, which could lead to clinical applications to avoid scarring after surgery or wounding. “Our atlas indicated that macrophages contribute to scarless skin repair, fibroblast homeostasis, and neurovascular development,” the researchers further noted.
From the collective results of their studies, the team suggested a molecular “recipe” for how human skin is built and how hair follicles form. These insights could be used in the creation of new hair follicles for regenerative medicine, such as for skin transplants for burn victims, or those with scarring alopecia.
The prenatal human skin atlas will also be used to identify in which cells the genes are active, or expressed, that are known to cause congenital hair and skin disorders, such as blistering disorders and scaly skin. “Our prenatal human skin atlas represents a valuable resource to explore genes that cause congenital hair and skin disorders,” the team stated. They found that genes involved in these disorders are expressed in prenatal skin, meaning they originate in utero. “We found that implicated genes are indeed expressed during prenatal skin development and HF differentiation, thereby supporting an in utero origin for these disorders.” The skin organoids created in the study offer a new, accurate model for studying these diseases. “Our systematic prenatal skin–SkO comparison provides a blueprint to guide more faithful in vitro SkO generation, which can facilitate future studies of interactions with the microbiota, the pathogenesis of congenital skin disorders, and hair and skin engineering for therapeutic applications, including hair regeneration and skin transplant,” they concluded.
Hudaa Gopee, MD, co-first author from Newcastle University, commented, “We’re excited to have made a skin organoid model that grows hair. In this process, we uncovered a new, important role of immune cells in promoting the growth of blood vessels in developing skin tissue, which could help improve other organoid models. These immune cells, called macrophages, also appear to play a key part in scarless skin repair in prenatal skin. Our findings could inform clinical advances to avoid scarring after surgery.”
Da:
https://www.genengnews.com/topics/translational-medicine/single-cell-analysis-of-prenatal-skin-and-skin-organoids-offers-scarless-skin-repair-clues/
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